主要有叶片中心线的空间分布、叶片厚度分布、叶片进出口安装角与叶片进出口处的直径。从本质上讲,叶片中心线的空间分布和叶片厚度分布两个参数己决定了叶型的标准空间形状,后面几项是确定叶片在叶轮中的相对位置。现有的叶片叶型,如NACA叶型、英国的C4叶型、中国的东风叶型等都是针对轴流式流体机械而开发的。由于轴流式流体机械内部主流总是沿着轴向的,尽管有径向流动混合和扭曲,在确定径向的扭转规律后,在多个径向基元截面上采用标准叶型,即可完成叶片的造型。但在离心式流体机械中,则有所不同。离心式流体机械内部的主流由轴流进入,径向流出,充分地利用叶片旋转推动做功,使离心式叶轮的做功能力(能量头系数或压力系数)远大于轴流式,这导致离心式叶轮内部工质流动形态和损失机理也更加复杂。相对于轴流式而言,离心式叶轮的前盘与后盘(即轮廓)的形状设计更为重要,所以离心式叶轮中并没有开发标准叶型,往往是直接采用等厚度叶型(进出口处修圆)、轴流的标准叶型或自行设计的空间扭曲叶片(俗称三元叶轮)。
叶型或叶片设计目标是:在完成设计流量与压升并保证具有足够的强度与抗颤振能力的条件下,使其效率最高或具有较大的稳定工况范围或最轻量化,也可以是这几项的组合,从而形成一个多目标优化命题。从物理本质上看,主要是通过叶型或叶片形状的改变,使叶型上的负荷(吸力面与压力面之间速度差或静压差分布)处于边界层接近分离而未分离的状态。在这样的状态下,叶型可能具有较大的能量头系数和较高的效率。
确定采用何种叶型,一般取决用户的需求、加工工艺复杂性与成本等因素。下面具体介绍一些常用的离心式流体机械的叶型或叶片。离心式叶轮的叶片一般有圆弧型、抛物线型、直叶片、机翼型和扭转叶片等。圆弧形和直叶片造型简单,是常用的叶片型式;机翼型具有良好的空气动力学性能,同样具有广泛的应用,但加工工艺相对复杂。
在离心式通风机、鼓风机、泵以及离心压缩机高压段中窄叶轮(b2/D2<0.02左右)的二元叶轮中经常使用单圆弧直叶片。其叶型的型线为单圆弧,如图所示。主要的叶型参数包括曲率半径
,圆心半径
和叶片弧长
,另外还有叶片厚度
。这些参数可根据叶轮的进出口直径及叶片的进出口安装角确定。这里直叶片是由沿轴向各叶型没有扭曲地叠加而成。当然,也有采用多圆弧叶型或某种拟合曲线的叶型,但都必须保证进出口安装角与进出口直径一致。在同一转速,同一进出口安装角与进出口直径的20多种不同叶型进行实验研究,表明单圆弧叶片在气动性能比较上,是属于较好的一种,但不是最好的。
圆弧叶型参数
直板叶型最简单,它可看作是叶片曲率半径
为无穷大的圆弧叶型片。它的叶型参数包括叶片长度
和叶片厚度
。采用直板叶型的叶轮,一般就采用等厚度,所以加工很方便,叶片可直接在钢板切割下来,工艺极为简单。
在具有铸造条件或大流量的情况下,离心式通风机与水泵设计时也常采用己有的标准叶型形成叶片,俗称机翼型叶片。由于标准叶型一般都具有较好的空气动力学性能,当叶型的进出口安装角取得比较合理时,通风机就会有较好的气动性能。如锅炉通风机中的型号4-73在其流量压升范围内具有较高的效率,并且具有强度高、刚度好的特点。机翼型叶主要缺点在于制造工艺复杂。因此在批量生产的情况下,通风机与泵就可以采用机翼型叶片,如塑料挤压制造空调风机叶轮或铸造的水泵。
由于离心压缩机与轴流压缩机的内部通道区别很大,所以在流量较小的考虑气体可压缩性的情况下,直接采用标准叶型作为离心式气体压缩机的叶型是很少见的,其主要原因是标准叶型组成叶栅后会严重影响离心压缩机的进口喉部面积,所以只有在通风机这样大流量叶片数又不太多的情况下采用。离心式气体压缩机叶轮的叶片设计己大都采用全三元的设计方法。
通常的设计过程如下:
①用一维设计方法确定压缩机组中某一级叶轮的外尺寸,如叶轮外径、叶轮进口直径与轮廓直径、叶轮进出口宽度、进出口安装角、叶片数等参数;
②采用准三维设计方法设计流道型线,较常用的是基于流线曲率法的正命题、反命题与优化命题的流场分析与设计方法,另一种类是基于吴仲华先生的S1-S2流面理论的流场分析与设计方法,还有一种刘高联先生提出基于S1-S2流面理论的变分原理与有限元方法的流场分析与设计方法。前一种在国内外都有较多的应用,后两种方法在中国有一定的应用。流道型线设计除了给定叶片的厚度分布外(一般不再采用标准叶型的厚度分布),在气动方面主要由设计者给叶片的安装角沿流向与准正交线上的分布(正命题),或给出叶片的做功量(涡量)或叶片表面速度分布沿流向与准正交线上的分布(反命题)。设计中通过对准三维流场的分析,反复修改初始给定的某参数的分布规律,迭代计算直至满意。希望所设计的气动目标是使最终成型的叶片具有最高效率或具有最宽广的高效工况范围,当然最终还需要实验验证。
③近20年来随着CFD技术与计算机软硬件能力的迅速提高,透平机械内部流动分析己进入全三维N-S方程组直接求解与各类建立于紊流模型的全三维求解的时代。由于流道模型设置、紊流模型适用性、求解区域的复杂性等种种原因,这些计算结果的准确性和精确性还不能完全满足需求,仅将CFD结果作为叶轮内部流场分析与评估优劣的重要手段。积累更多的经验与准则,真正意义上的全三维设计要求终将达到。
当叶片的中心面形状确定后,根据给定叶片的厚度分布就可以得到成型叶片。叶片厚度分布规律非常重要,一方面可以保证叶轮的气动性能,另一方面可以使叶片具有足够的强度。对于带盖叶轮来讲,叶片厚度分布要求更为严格,对半开式大流量的离心叶轮叶片还应考虑防颤振的要求。
对于三元叶轮来讲,沿主流方向上叶片厚度分布,一般并不采用机翼式标准叶型的厚度规律,而是采用中间部分稍厚,进口段与出口段削薄的厚度分布。沿主流的准正交方向,因为轮廓处叶片的应力较大,一般希望在轮盘侧的叶片厚度大于在轮盖侧的厚度,这样就可以构成一个完整的变厚度三元扭曲叶片。叶轮的轮盖与轮盘子午面型线可采用圆弧加直线、多段圆弧、样条曲线或贝塞尔函数等,原则上要采用某个连续函数。结合上述的方法,叶片就成型一个完整的叶轮,再进行后续的流场分析与强度分析工作。
铣制叶轮具有良好的加工精度,但是加工周期长与加工成本高。为了便于加工,绝大部分的三元离心叶轮都采用直线元素法成型,即只给定轮盖侧与轮盘侧的叶片安装角与厚度的分布,并假定在轮盖与轮廓对应点的准正交线上,叶片的安装角与厚度都是线性分布,这样就简化了叶片的铣制难度与加工周期,但也带来与实际流动偏差的可能。也有采用曲线元素法成型,即沿准正交线方向不再采用线性分布而采用其他某种分布规律进行叶片成型,但效果并不明显,并且加工更为复杂,故应用较少。